2.6.2. Механизмы действия гормонов, рецепторы которых локализованы в наружной клеточной мембране ( Мембранноцитозольный механизм действия )

Молекулы гормонов белковой природы, гормоновпептидов и гормоновпроизводных аминокислот, за исключением иодированных тиронинов, гидрофильны. Они легко растворимы в воде, но не растворимы в гидрофобной фазе, в связи с чем они без особых проблем переносятся током крови, но не могут проникать через мембраны клеток. Поэтому рецепторы таких гормонов локализованы в наружной клеточной мембране, причем гормонсвязывающий центр этих рецепторов расположен на внешней стороне мембраны и может взаимодействовать с гормоном, находящимся в жидкости, окружающей клетку. Безусловно, механизмы действия отдельных гормонов этой группы могут сильно различаться, тем не менее формирование ответа клетки на воздействие регуляторного сигнала начинается с образования гормонрецепторного комплекса на внешней стороне наружной клеточной мембраны, следствием чего является генерация внутриклеточного химического сигнала, изменяющего метаболизм клетки.

Рецепторы для гормонов этой группы можно разделить на 2 основных группы:

а. Рецепторы, сопряженные с Gбелками. б. Каталитические рецепторы.

На внешней стороне наружной клеточной мембраны локализованы также рецепторы, участвующие в передаче нервных импульсов через синапсы, так называемые каналообразующие рецепторы. Однако механизм действия нейромедиаторов к рассматриваемой проблеме прямого отношения не имеет и на нем мы останавливаться не будем.

2.6.2.1. Механизм действия гормонов, рецепторы которых сопряжены с Gбелками

Рецепторы гормонов этой группы в своей структуре имеют как минимум 2 домена. Один домен локализован на внешней стороне наружной клеточной мембраны и имеет в своей структуре гормонсвязывающий центр. Второй, сопрягающий домен расположен, повидимому, внутри наружной клеточной мембраны и имеет в своей структуре центр, ответственный за взаимодействие с одним из интегральных белков мембраны, получившим название Gбелка. В настоящее время известно несколько вариантов этих белков. Gбелки, или иначе ГТФсвязывающие белки,обеспечивают передачу регуляторного сигнала с рецептора после его взаимодействия с гормоном на один из ферментов, локализованных на внутренней стороне наружной клеточной мембраны. Изменение активности этих ферментов приводит к изменению концентрации в клетке соединений, ответственных за дальнейшее формирование метаболического ответа клетки на внешний регуляторный сигнал. Эти соединения известны под название внутриклеточных мессенджеров или вторых вестников, наиболее известными представителями которых являются цАМФ, цГМФ, ионы Са+, продукты расщепления инозитолфосфатидов инозитолтрифосфат и диацилглицерол.

а). Механизм действия гормонов, внутриклеточным мессенджером которых является цАМФ.

К гормонам, внутриклеточным мессенджером которых является цАМФ, относятся глюкагон, кортикотропин, вазопрессин, паратгормон, адреналин при его взаимодействии с bрецепторами клеток и др. После образования гормонрецепторного комплекса происходит изменение конформации его сопрягающего домена и последний приобретает способность к взаимодействию с локализованным в мембране Gs белком. Свободный Gsбелок связан с ГДФ и неактивен, в силу чего в свободном виде он не может взаимодействовать с ферментом аденилатциклазой, локализованной на внутренней стороне наружной клеточной мембраны. В ходе его взаимодействия с сопрягающим доменом гормонрецепторного комплекса конформация Gsбелка изменяется, он теряет ГДФ и связывает в том же участке ГТФ. В комплексе с ГТФ Gsбелок приобретает способность к взаимодействию с аденилатциклазой. При взаимодействии активированного ГТФ Gsбелка с аденилатциклазой фермент переходит в активную форму и начинает синтезировать в цитозоле цАМФ из АТФ.

цАМФ, синтезированный активированной аденилатциклазой, взаимодействует в клетке с ферментом цАМФзависимой протеинкиназой ( или Акиназой ), переводя фермент в активную форму. Неактивная Акиназа представляет собой тетрамер, состоящий из 2 каталитических и 2 регуляторных субъединиц; при взаимодействии с цАМФ происходит диссоциация комплекса на регуляторные субъединицы, связанные с цАМФ, и свободные каталитические субъединицы, обладающие способность фосфорилировать различные внутриклеточные белки по остаткам серина или треонина. Это фосфорилирование белков есть не что иное как их ковалентная модификация, сопровождающаяся изменением их функциональной активности: меняется каталитическая активность ферментов, изменяется способность транспортных белков переносить свои лиганды через мембраны, а фосфорилирование белков, участвующих в работе механизмов, отвечающих за экспрессию генов, приводит к изменению и количеств отдельных белков в клетке. За счет этих изменений и формируется метаболический ответ клетки на воздействие гормона.

Возврат клетки в исходное состояние обусловлен работой нескольких механизмов: вопервых, поскольку гормонрецепторный комплекс формируется за счет слабых взаимодействий, он легко диссоциирует, а свободный гормон быстро инактивируется; вовторых, Gsбелок сам обладает способностью гидролизовать ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат. Поэтому через непродолжительное время, измеряемое 1015 секундами, активированный Gsбелок после гидролиза связанного с ним ГТФ переходит в неактивное состояние и теряет способность взаимодействовать с аденилатциклазой;в третьих, цАМф в клетке быстро расщепляется специальным ферментом фосфодиэстеразой, тем самым инактивируется Акиназа;в четвертых, в клетках имеется фермент ( или ферменты ) фосфопротеинфосфатаза, которая осуществляет дефосфорилирование белков, т.е. обеспечивает возврат функциональной активности клеточных белков к исходному уровню. Кстати, активность фосфопротеинфосфатазы ингибируется высоким уровнем цАМФ в клетке, поэтому при расщеплении цАМФ фосфодиэстеразой активность фосфопротеинфосфатазы увеличивается.

Следует отметить, что в наружных мембранах клеток могут присутствовать рецепторы, взаимодействие которых с соответствующим гормоном может сопровождаться снижением уровня цАМФ в клетке, ингибированием Акиназы и дефосфорилированием клеточных белков. Таким образом действует на клетки адреналин, через свои a2адренэргические рецепторы. В этом случае образовавшийся гормонрецепторный комплекс взаимодействует в мембране клетки с так называемым ингибиторным Gбелком ( Giбелком ). Активированный Giбелок взаимодействует с аденилатциклазой на внутренней стороне клеточной мембранны, блокируя активность фермента. Синтез цАМФ в клетке прекращается, а имеющаяся в клетке цАМФ расщепляется фосфодиэстеразой. В результате уровень цАМФ резко падает. Таким образом, один и тот же гормон адреналин в зависимости от типа рецепторов, имеющихся в наружной мембране клеток ( a2адренэргические или bадренэргические рецепторы ), может вызывать в клетках противоположные метаболические ответы.

б). Механизм действия гормонов, внутриклеточным мессенджером которых является цГМФ.

Существует семейство сигнальных молекулпептидов, выделяемых тканью предсердий это так называемые атриопептиды. Они стимулируют диурез и выделение ионов Na+ c мочой, они расширяют сосуды, они ингибируют секрецию альдостерона. Один из представителей этой группы сигнальных пептидов натрийуретический фактор предсердий, связываясь с рецепторами клетокмишеней, активирует мембранную гуанилатциклазу, что вызывает повышение концентрации цГМФ в клетки, образующейся из ГТФ. цГМФ, содержание которой в клетках может

увеличиваться в несколько десятков раз, активирует цГМФзависимую протеинкиназу ( Gкиназу ), которая в свою очередь фосфорилирует внутриклеточные белки, изменение активности которых и формирует ответ клетки на регуляторный сигнал. При прекращении действия регуляторного сигнала цГМФ расщепляется цГМФфосфодиэстеразой, что создает условия для возврата клетки в исходное состояние.

в) Механизм действия гормонов, внутриклеточными мессенджерами которых являются продукты распада инозитолфосфатидов и ионы Са2+ К настоящему времени известно более 20 сигнальных молекул, внутриклеточными мессенджерами которых выступают продукты расщепления инозитолфосфатидов. Примерами таких сигнальных молекул служат вазопрессин при его воздействии на гепатоциты; ангиотензин II и серотонин при их воздействии на клетки клубочковой зоны надпочечников; гормоны гипоталамуса ТРГ или ГнРГ, стимулирующие выделение гипофизом тиреотропного гормона и гонадотропных гормонов. Важную роль этот механизм играет также при формировании ответа гладкомышечных клеток на воздействие ацетилхолина или же в стимуляции секреции инсулина bклетками поджелудочной железы под воздействием того же ацетилхолина.

Образование комплексов сигнальных молекул с их рецепторами на внешней стороне наружной клеточной мембраны приводит к активации интегрального белка мембран, условно называемого Gpбелком. Далее этот белок взаимодействует с ферментом фосфоинозитидспецифической фосфолипазой С, локализованным на внутренней стороне мембраны. Активированная Gрбелком фосфолипаза С расщепляет имеющийся во внутренней половине бислоя клеточной мембраны инозитолфосфатид с образованием двух продуктов: инозитолтрифосфата (иначе фосфоинозитолбисфосфат, PIP2) и диацилглицерола. Оба этих соединения далее участвуют в формировании метаболического ответа клетки на воздействие сигнальной молекулы.

Инозитолтрифосфат связывается с рецепторами имеющихся в клетке Са2+связывающих вакуолей, что приводит к быстрому выходу ионов Са2+ из вакуолей в цитозоль и повышению его локальной конце нтрации в цитозоле с 107М до 106М. Увеличение концентрации ионов Са2+ в цитозоле приводит к активации многих внутриклеточных процессов как за счет непосредственного связывания Са2+ с внутриклеточными белками, так и за счет связывания Са2+ с кальмодулином и изменения функциональной активности внутриклеточных белков путем их взаимодействия с Са2+ кальмодулиновым комплексом. Таким образом, если инозитолтрифосфат в этой системе является вторым вестником, то ионы Са2+ можно рассматривать как третий вестник в механизме действия рассматриваемых сигнальных молекул.

Диацилглицерол, образовавшийся в результате гидролиза инозитолфосфатида, вместе с серинфосфатидом активируют в клетке фермент, получивший название протеинкиназаС или Скиназа. Этот фермент катализирует в клетке фосфорилирование белков по остаткам тирозина или треонина, которые в результате этой ковалентной модификации изменяют свою функциональную активность. Интересно, что активность Скиназы сильно зависит от присутствии в окружающей ее среде ионов Са2+. Отсюда, в активации Скиназы играют роль и взаимодействие фермента с диацилглицеролом, и повышение концентрации ионов Са2+ за счет эффекта фосфоинозитолбисфосфата.

Механизм возврата клетки в исходное состояние включает в себя следующие основные моменты: а) расщепление комплекса сигнальная молекуларецептор с последующей инактивацией сигнальной молекулы; б) инактивация Gpбелка за счет гидролиза связанной с ним ГТФ с последующей инактивацией фосфоинозитидспецифической фосфолипазы С; в) фосфоинозитолбисфосфат подвергается дефосфорилированию ( иногда фосфорилируется в РIP3 ) c потерей своей биологической активности, а диацилглицерол или расщепляется до моноацилглицерола или фосфорилируется в фосфатидную кислоту в обоих случаях его биологическая активность исчезает; г) ионы Са2+ удаляются из цитозоля или в кальцийсвязывающие органеллы или, во внеклеточное пространство за счет действия кальциевых транспортных АТФаз; д) фосфорилированные Скиназой белки подвергаются дефосфорилированию за счет действия фосфопротеинфосфатаз.

В работе регуляторных механизмов, использующих в качестве вторых вестников цАМФ, цГМФ или продукты гидролиза инозитолфосфатидов, имеется один общий момент в системы включены механизмы усиления сигнала. Гормон или иная сигнальная молекула, соединяясь с рецептором, активирует фермент, генерирующий образование в клетке множества молекул, выполняющих роль второго вестника. В свою очередь второй вестник также активирует фермент, способный быстро изменять функциональную активность большого числа различных белковых молекул, непосредственно отвечающих за формирование метаболического ответа клеток.